芒稻河特大桥超长钢板桩围堰结构优化设计

由项敏 13818186389 撰写
发布于 2023年02月16日 12:16:00
最后修改于 2024年11月14日 11:36:40

摘要

Abstract

采用超长钢板桩围堰进行深水河道的桥梁承台施工时，其平面布置、钢板桩选型及围囹支撑等优化设计，关系到围堰施工的安全性和经济性。结合芒稻河特大桥下部结构特点和桥位条件，提出双菱形斜撑与对口撑结合的围囹支撑设计；在分析模型方面，针对钢板桩间的承插式锁扣连接允许错动和转动，提出用竖向梁单元模拟钢板桩、用虚拟链杆模拟锁扣连接的围堰梁格法模型。通过方案比选研究，提出在迎水面采用H型组合钢板桩、水平支撑层之间设置竖向连接等优化构造，有效减小了围堰变形，提高了内支撑稳定性。

Part 01

工程概况

芒稻河特大桥属于江苏省五峰山过江通道北接线工程，主桥为预应力混凝土刚构连续梁组合体系，跨径76.72m+3×130m+81.72m，如图1所示，其33～35号墩位于主航道内，桥墩为薄壁混凝土墩身，承台平面为矩形且位于河床下，采用钻孔灌注桩群桩基础。

图1主桥跨立面（单位:cm）

芒稻河为长江支流三级航道，桥址处平均流速1.3m/s，土层主要为粉土和粉砂。结合本桥基础形式及水文地质等条件后，确定承台施工采用钢板桩围堰。由于33~35号承台施工过程中，抽水后内外水头差最大值可达19m，在充分研究的基础上，提出围囹支撑采用水中整体下放，先支撑后抽水的方案。在此以33号承台为例，展示超长钢板桩围堰的结构优化设计过程。

Part 02

钢板桩围堰初步设计

2.1围堰平面布置及钢板桩选型 围堰平面布置主要考虑承台墩身尺寸及工作空间，本桥33号承台尺寸为39.45m×14.40m×5m（长×宽×高），考虑到承台长宽比＞2，宜采用矩形围堰，内壁宜比承台宽1.0~1.5m，确定其平面尺寸为42m×16.8m。考虑到该围堰尺度大、内外水头差大，选用截面模量较大的拉森Ⅳw型钢板桩。为保证围囹内支撑在不影响桥墩施工的情况下抵抗静水压，在围堰内设双菱形斜撑及长边中部2道对口撑，如图2所示。

图2围堰平面

2.2围堰立面设计 2.2.1钢板桩长度确定 考虑到设计水位为4.000m，围堰顶应高于设计水位，确定围堰顶标高为5.000m。33号承台底标高为－15.000m，河床面标高为－9.960m，为了满足围堰嵌固深度及抗浮要求，取钢板桩总长为34m，封底混凝土厚度为4m，围堰立面布置如图3所示。

图3围堰正立面

2.2.2围囹支撑立面位置及杆件选型基本步骤 1）确定围堰顶、底层的支撑位置为保证钢板桩上口的面内刚度，一般在水面附近设置顶层支撑；为不影响承台施工，在承台顶设置最下层支撑。 2）确定围堰支撑的层数根据最大内外水头差及层间距≥2m的原则，确定中间支撑层数量，本桥33号墩设5层内撑。 3）确定中间支撑的布置位置将钢板桩侧向三角形静水压荷载按面积相等的原则划分为3部分（A1~A3），并在各部分水压面积的形心处设置支撑，记各道支撑间距为h1~h4，如图4所示。对于本桥33号墩，计算出各围囹内支撑位置，如表1所示。

图4内支撑竖向布置示意

表1本桥33号墩内支撑杆件设计围囹

4）确定内支撑杆件材料根据各层围囹支撑的受力，选择不同的型钢杆件，确保各层围囹支撑杆件应力满足安全要求。 2.3施工步骤及控制工况 芒稻河特大桥钢板桩围堰施工采用钢围囹水中整体下放及整体拆除技术，具体施工步骤为：①插打钢板桩直至钢板桩合龙；②带水吸泥至－11.000m，将第1～5道内支撑分层整体下放至设计标高；③水下抄垫第1，5道内支撑与钢板桩之间空隙；④围堰内水下吸泥、清淤至－18.500m，搭设封底平台浇筑封底混凝土；⑤待封底混凝土养护完毕，抄垫第2～4道内支撑，一次性抽完围堰内的水；⑥承台施工完毕后，在承台与钢板桩空隙间回填砂、土混合物，顶部浇筑0.5m高混凝土冠梁，拆第5道内支撑；⑦完成墩身施工，向围堰内注水至内外水位一致，拔除钢板桩；⑧利用整体提升系统，将围囹内支撑逐层吊出水面割除。按施工步骤，在封底混凝土达到设计强度后，抽净围堰内水时围堰处于最不利状态，下面以该工况为例，对33号钢板桩围堰进行详细的建模分析。 2.4有限元模型建立 为模拟相邻钢板桩间存在竖向错动现象，利用Midas Civil有限元软件，建立钢板桩和围囹的三维有限元梁格模型，钢板桩和内支撑采用梁单元，考虑到相邻钢板桩存在竖向错动，并可绕锁口转动，其连接按刚度等效原则采用虚拟链杆进行模拟，如图5所示。通过耦合垂直于钢板桩方向和竖向自由度来模拟围囹与钢板桩之间的抄垫；利用“土弹簧”模拟底部土体对钢板桩的约束作用；基坑以上土体以主动土压的形式施加在结构上。钢板桩和围囹支撑的三维有限元模型如图6所示。

图5梁格法单元示意

图6围堰计算模型

在利用梁单元建立钢板桩过程中需特别注意一点，钢板桩采用梁格法，钢板桩在受力计算时，应以钢板桩的锁口连线作为中性轴来承受外界荷载。因此，不能直接使用单根拉森钢板桩的截面特性进行建模。通过换算，梁格法中单根拉森钢板桩的截面特性取值：宽600mm，侧厚210mm，壁厚18mm，面积135.3cm²，惯性矩34 020cm⁴ 钢板桩围堰的主要荷载计算如下。 1）动水压力计算在钢板桩围堰计算模型中，流水压力简化施加在设计水位线以下03倍水深处，流水压力计算式为：

式中：F_w为流水压力合力（kN）；K为围堰形状系数，矩形取1.3；A_b为阻水面积，计算至一般冲刷线处；γ_w为水的重度；v为设计流速，取v=2m/s；g为重力加速度。 2）土弹簧刚度计算土弹簧刚度按下式取值：

式中：k_s,i为第i土层弹簧刚度；a_i为第i土层厚度；b为桩的计算宽度；m_i为第i土层的水平地基抗力系数；z_i为第i土层深度。 33号围堰处土弹簧取值如表2所示。

表2围堰侧向土弹簧刚度计算土层

3）主动土压力计算钢板桩围堰施工范围内土层为粉土和粉砂，均为强透水性土层，其中粉土厚度为0.2~8.2m，天然密度为1.87g/cm³，内摩擦角为30.9°，黏聚力为7kPa；粉砂厚度为2.2~40.1m，天然密度为1.89g/cm³，内摩擦角为17.3°，黏聚力为6.9kPa。土压力计算时考虑采用水土分算法按下式计算：